En esta sección se propone revisar en el plano, la rotación que sucede sobre una cónica, a través de los vectores propios asociados a la matriz de los coeficientes.
Se considera entonces una ecuación de la forma
a
x
2
+
b
x
y
+
c
y
2
+
d
x
+
e
y
+
f
=
0
{\displaystyle ax^{2}+bxy+cy^{2}+dx+ey+f=0}
,
(3.1a )
bajo la condición
a
>
0
,
{\displaystyle a>0,}
y
b
≠
0
{\displaystyle b\neq 0}
.
(3.1b )
Los vectores propios por analizar están asociados a la matríz de los coeficientes
M
=
[
a
b
2
b
2
c
]
{\displaystyle M=\left[{\begin{array}{cc}a&{\frac {b}{2}}\\{\frac {b}{2}}&c\end{array}}\right]}
(3.2a )
la cual es simétrica; en consecuencia sus valores propios son reales y los respectivos vectores propios son ortogonales. Su determinante
d
e
t
M
=
1
4
(
4
a
c
−
b
2
)
{\displaystyle detM={\frac {1}{4}}(4ac-b^{2})}
,
(3.2b )
y al número
b
2
−
4
a
c
{\displaystyle b^{2}-4ac}
se le denomina discriminante de la matriz M.
Valores y Vectores Propios
editar
Los valores propios se pueden obtener de la correspondiente ecuación característica, la cual es
4
λ
2
−
4
(
a
−
c
)
λ
−
(
b
2
−
4
a
c
)
=
0
{\displaystyle 4\lambda ^{2}-4(a-c)\lambda -(b^{2}-4ac)=0}
,
(3.3 )
y de esta surge la relación
4
(
λ
−
a
)
2
=
4
(
c
−
a
)
λ
+
4
a
2
+
b
2
−
4
a
c
{\displaystyle 4(\lambda -a)^{2}=4(c-a)\lambda +4a^{2}+b^{2}-4ac}
.
(3.4 )
Sus raíces dan los dos valores propios (reales puesto que M es simétrica):
λ
1
,
2
=
1
2
[
(
a
+
c
)
±
(
a
−
c
)
2
+
b
2
]
{\displaystyle \lambda _{1,2}={\frac {1}{2}}\left[(a+c)\pm {\sqrt {(a-c)^{2}+b^{2}}}\right]}
,
o bien, en términos de la traza y el determinante
λ
1
,
2
=
1
2
[
(
a
+
c
)
±
t
r
2
M
−
4
d
e
t
M
]
{\displaystyle \lambda _{1,2}={\frac {1}{2}}\left[(a+c)\pm {\sqrt {tr^{2}M-4detM}}\right]}
.
De esta expresión junto con la condición (3.1b )
se concluye:
NOTA 1 los valores propios
λ
1
,
λ
2
{\displaystyle \lambda _{1},\;\;\lambda _{2}}
jamás son iguales porque
b
2
>
0
{\displaystyle b^{2}>0}
.
Sea
λ
1
{\displaystyle \lambda _{1}}
el menor valor propio; este es
λ
1
=
1
2
[
(
a
+
c
)
−
(
a
−
c
)
2
+
b
2
]
{\displaystyle \lambda _{1}={\frac {1}{2}}\left[(a+c)-{\sqrt {(a-c)^{2}+b^{2}}}\right]}
.
(3.5a )
del cual resulta
2
(
λ
2
−
a
)
=
−
[
(
a
−
c
)
+
(
a
−
c
)
2
+
b
2
]
{\displaystyle 2(\lambda _{2}-a)=-\left[(a-c)+{\sqrt {(a-c)^{2}+b^{2}}}\right]}
.
(3.5b )
Ahora, teniendo en cuenta que
b
≠
0
{\displaystyle b\neq 0}
, para todo real N
N
2
<
N
2
+
b
2
{\displaystyle N^{2}<N^{2}+b^{2}}
,
de lo cual:
NOTA 2
(
a
−
c
)
+
(
a
+
c
)
2
+
b
2
>
0
{\displaystyle (a-c)+{\sqrt {(a+c)^{2}+b^{2}}}>0}
, con lo cual
2
(
λ
1
−
a
)
<
0
{\displaystyle 2(\lambda _{1}-a)<0}
. También
λ
1
<
a
{\displaystyle \lambda _{1}<a}
.
Ahora, de la relación con la traza de la matriz M, se tiene
2
(
λ
2
−
c
)
=
−
2
(
λ
1
−
a
)
{\displaystyle 2(\lambda _{2}-c)=-2(\lambda _{1}-a)}
,
de donde
λ
2
>
c
{\displaystyle \lambda _{2}>c}
.
Vector propio asociado al menor valor propio
λ
1
{\displaystyle \lambda _{1}}
editar
De la relación (2.6 )
los vectores propios X de la matriz M satisfacen
(
M
−
λ
I
)
X
=
O
{\displaystyle (M-\lambda I)X=O}
,
y con
X
t
=
[
x
,
y
]
{\displaystyle X^{t}=[x,y]}
, en función de las componentes
[
a
−
λ
b
2
b
2
c
−
λ
]
[
x
y
]
=
[
0
0
]
{\displaystyle \left[{\begin{array}{cc}a-\lambda &{\frac {b}{2}}\\{\frac {b}{2}}&c-\lambda \end{array}}\right]\left[{\begin{array}{c}x\\y\end{array}}\right]=\left[{\begin{array}{c}0\\0\end{array}}\right]}
que da lugar a un sistema de ecuación equivalentes entre sí, de tal manera que resulta
y
=
2
b
(
λ
−
a
)
x
{\displaystyle y={\frac {2}{b}}(\lambda -a)x}
con
b
≠
0
{\displaystyle b\neq 0}
,
para cualquier valor propio
λ
{\displaystyle \lambda }
.
Entonces al considerar el valor propio
λ
1
{\displaystyle \lambda _{1}}
b
y
=
2
(
λ
1
−
a
)
x
{\displaystyle by=2(\lambda _{1}-a)x}
,
obteniendo cada vector propio asociado a
λ
1
{\displaystyle \lambda _{1}}
[
x
y
]
=
1
b
[
b
x
b
y
]
=
x
b
[
b
2
(
λ
1
−
a
)
]
{\displaystyle \left[{\begin{array}{c}x\\y\end{array}}\right]={\frac {1}{b}}\left[{\begin{array}{c}bx\\by\end{array}}\right]={\frac {x}{b}}\left[{\begin{array}{c}b\\2(\lambda _{1}-a)\end{array}}\right]}
, para todo
x
b
≠
0
{\displaystyle {\frac {x}{b}}\neq 0}
.
Tomando en particular el vector propio
v
1
{\displaystyle v_{1}}
v
1
=
[
b
2
(
λ
1
−
a
)
]
{\displaystyle v_{1}=\left[{\begin{array}{c}b\\2(\lambda _{1}-a)\end{array}}\right]}
,
(3.6 )
el cual por la NOTA 2, tiene segunda componente negativa.
Vector propio asociado a
λ
2
{\displaystyle \lambda _{2}}
editar
Puesto que el segundo valor propio
λ
2
{\displaystyle \lambda _{2}}
es distinto de
λ
1
{\displaystyle \lambda _{1}}
(NOTA 1), entonces siendo M una matriz simétria el vector propio
v
2
{\displaystyle v_{2}}
asociado a
λ
2
{\displaystyle \lambda _{2}}
es ortogonal a
v
1
{\displaystyle v_{1}}
.Así, se propone rotar
90
o
{\displaystyle 90^{o}}
en el sentido antihorario el vector
v
1
{\displaystyle v_{1}}
quedando
v
2
=
[
−
2
(
λ
1
−
a
)
b
]
{\displaystyle v_{2}=\left[{\begin{array}{c}-2(\lambda _{1}-a)\\b\end{array}}\right]}
,
(3.7 )
y por la NOTA 2, la primera componente es positiva . También
‖
v
1
‖
=
‖
v
2
‖
{\displaystyle \|v_{1}\|=\|v_{2}\|}
.
Siendo el propósito describir la rotación de la cónica, el ángulo correspondiente oscilará en el intervalo
(
−
π
2
,
π
2
)
{\displaystyle \left(-{\tfrac {\pi }{2}},{\tfrac {\pi }{2}}\right)}
, se elige el par de vectores propios siguiente:
{
v
1
,
v
2
cuando
b
>
0
(rotacion negativa)
,
−
v
1
,
−
v
2
cuando
b
<
0
(rotacion positiva)
,
{\displaystyle {\begin{cases}v_{1},\;\;v_{2}&{\text{cuando }}b>0{\text{ (rotacion negativa)}},\\-v_{1},\;\;-v_{2}&{\text{cuando }}b<0{\text{ (rotacion positiva)}},\end{cases}}}
(3.8 )
Obsérvese que, de acuerdo a los signos de las componentes ya analizados, en el primer caso
v
1
{\displaystyle v_{1}}
está en el cuarto cuadrante del plano cartesiando,
v
2
{\displaystyle v_{2}}
está en el primer cuadrante y, en el segundo caso, los vectores están en el primero y segundo cuadrante respectivamente.
Dados los vectores
A
→
,
B
→
{\displaystyle {\vec {A}},\;\;{\vec {B}}}
su producto punto satisface
A
→
⋅
B
→
=
‖
A
→
‖
‖
B
→
‖
cos
θ
{\displaystyle {\vec {A}}\cdot {\vec {B}}=\|{\vec {A}}\|\|{\vec {B}}\|\cos \theta }
siendo
θ
∈
[
0
,
π
]
{\displaystyle \theta \in [0,\pi ]}
el ángulo formado por ellos. Entonces si
A
→
=
⟨
1
,
0
⟩
{\displaystyle {\vec {A}}=\langle 1,0\rangle }
(en la dirección positiva del eje X), al tomar
B
→
=
v
1
{\displaystyle {\vec {B}}=v_{1}}
y al reemplazar
b
=
‖
v
1
‖
cos
θ
{\displaystyle b=\|v_{1}\|\cos \theta }
,
el ángulo de rotación
ϕ
∈
(
−
π
2
,
π
2
)
{\displaystyle \phi \in \left(-{\tfrac {\pi }{2}},{\tfrac {\pi }{2}}\right)}
queda definido por
{
ϕ
=
−
arccos
(
b
‖
v
1
‖
)
,
b
>
0
ϕ
=
π
−
arccos
(
b
‖
v
1
‖
)
,
b
<
0
{\displaystyle {\begin{cases}\phi =-\arccos \left({\frac {b}{\|v_{1}\|}}\right),&b>0\\\phi =\pi -\arccos \left({\frac {b}{\|v_{1}\|}}\right),&b<0\end{cases}}}
(3.9 )
Entonces, en el primer caso se presenta una rotación negativa y en el segundo, cuanbo
b
<
0
{\displaystyle b<0}
, la rotación es positiva.
Antes de proceder a realizar un cambio de coordenadas, se revisan las opciones de signos de los valores propios.
Sobre los signos de los valores propios de la matria M
editar
Se plantea la pregunta:
¿Es posible que
λ
1
<
0
,
λ
2
<
0
{\displaystyle \lambda _{1}<0,\;\;\lambda _{2}<0}
?
Supóngase que ambos valores propios son negativas; en tal caso
t
r
M
<
0
{\displaystyle trM<0}
, es decir que
a
+
c
<
0
{\displaystyle a+c<0}
y siendo
a
>
0
{\displaystyle a>0}
entonces
c
<
0
{\displaystyle c<0}
. Con lo cual el determinante sería
d
e
t
M
=
a
c
−
b
2
4
<
0
{\displaystyle detM=ac-{\frac {b^{2}}{4}}<0}
,
NOTA 3 Sólo el valor propio
λ
1
{\displaystyle \lambda _{1}}
puede ser negativo.
Ahora, ¿es posible que el valor propio
λ
2
{\displaystyle \lambda _{2}}
sea nulo? En tal caso, el determinante
d
e
t
M
=
0
{\displaystyle detM=0}
muestra que
a
c
=
b
2
4
{\displaystyle ac={\tfrac {b^{2}}{4}}}
y, del hecho
λ
2
=
1
2
[
(
a
+
c
)
+
(
a
−
c
)
2
+
b
2
]
{\displaystyle \lambda _{2}={\frac {1}{2}}\left[(a+c)+{\sqrt {(a-c)^{2}+b^{2}}}\right]}
se tendría
a
+
c
<
0
{\displaystyle a+c<0}
, de lo cual
a
<
0
{\displaystyle a<0}
, contradiciendo la condición (3.1b )
. Así, se tiene
NOTA 4 El mayor valor propio
λ
2
{\displaystyle \lambda _{2}}
nunca se anula.
De la relación de los valores propios con la traza se puede decir:
NOTA 5 Si
t
r
M
<
0
{\displaystyle trM<0}
y el valor propio
λ
1
<
0
{\displaystyle \lambda _{1}<0}
, entonces
0
<
λ
2
<
−
λ
1
{\displaystyle 0<\lambda _{2}<-\lambda _{1}}
.
Teniendo en cuenta que el valor propio
λ
1
{\displaystyle \lambda _{1}}
es el más pequeño se tiene:
NOTA 6 Si
λ
1
>
0
{\displaystyle \lambda _{1}>0}
, entonces
t
r
M
>
0
{\displaystyle trM>0}
y
d
e
t
M
>
0
{\displaystyle detM>0}
.
La determinación de los vectores propios
v
1
,
v
2
{\displaystyle v_{1},\;\;v_{2}}
permite replantear la ecuación cartesiana (3.1a )
en función de otras variables, con el fin de facilitar la identificación de la cónica que está describiendo. Así, se proponen las variables
u
,
v
{\displaystyle u,\;v}
y se define la transformación
[
x
y
]
=
P
[
u
v
]
{\displaystyle \left[{\begin{array}{c}x\\y\end{array}}\right]=P\left[{\begin{array}{c}u\\v\end{array}}\right]}
(3.10a )
siendo P la matriz de orden 2, formada por los vectores propios normalizados
P
=
[
1
‖
v
1
‖
v
1
1
‖
v
2
‖
v
2
]
{\displaystyle P=\left[{\begin{array}{lr}{\frac {1}{\|v_{1}\|}}v_{1}&{\frac {1}{\|v_{2}\|}}v_{2}\end{array}}\right]}
,
y por (3.6 )
y (3.8 )
se tiene
‖
v
1
‖
=
‖
v
2
‖
{\displaystyle \|v_{1}\|=\|v_{2}\|}
, con lo cual
P
=
1
‖
v
1
‖
[
v
1
v
2
]
{\displaystyle P={\frac {1}{\|v_{1}\|}}\left[{\begin{array}{lr}v_{1}&v_{2}\end{array}}\right]}
.
Matriz de rotación negativa
para el caso
b
>
0
{\displaystyle b>0}
,
P
1
=
1
‖
v
1
‖
[
v
1
v
2
]
{\displaystyle P_{1}={\frac {1}{\|v_{1}\|\left[{\begin{array}{lr}v_{1}&v_{2}\end{array}}\right]}}}
.
(3.10b )
teniendo presente (3.6 )
y (3.7 )
.
Matriz de rotación positiva
Para el caso
b
<
0
{\displaystyle b<0}
, según (3.8 )
P
2
=
−
1
‖
v
1
‖
[
v
1
v
2
]
{\displaystyle P_{2}=-{\frac {1}{\|v_{1}\|}}\left[{\begin{array}{lr}v_{1}&v_{2}\end{array}}\right]}
.
(3.10c )
En ambos casos se tiene en cuenta el resultado
P
t
M
P
=
[
λ
1
0
0
λ
2
]
{\displaystyle P^{t}MP=\left[{\begin{array}{cc}\lambda _{1}&0\\0&\lambda _{2}\end{array}}\right]}
(ver teoría), y al realizar la sustitución
[
x
y
]
=
P
[
u
v
]
{\displaystyle \left[{\begin{array}{c}x\\y\end{array}}\right]=P\left[{\begin{array}{c}u\\v\end{array}}\right]}
en la ecuación de segundo grado dada al comienzo, escrita en la forma
[
x
y
]
M
[
x
y
]
+
[
d
e
]
[
x
y
]
+
f
=
0
{\displaystyle \left[{\begin{array}{lr}x&y\end{array}}\right]M\left[{\begin{array}{c}x\\y\end{array}}\right]+\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]\left[{\begin{array}{c}x\\y\end{array}}\right]+f=0}
se simplifica inicialmente en
[
u
v
]
[
λ
1
0
0
λ
2
]
[
u
v
]
+
[
d
e
]
P
[
u
v
]
+
f
=
0
{\displaystyle \left[{\begin{array}{lr}u&v\end{array}}\right]\left[{\begin{array}{lr}\lambda _{1}&0\\0&\lambda _{2}\end{array}}\right]\left[{\begin{array}{c}u\\v\end{array}}\right]+\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]P\left[{\begin{array}{c}u\\v\end{array}}\right]+f=0}
,
y al desarrollar el primer producto
λ
1
u
2
+
λ
2
v
2
+
[
d
e
]
P
[
u
v
]
+
f
=
0
{\displaystyle \lambda _{1}u^{2}+\lambda _{2}v^{2}+\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]P\left[{\begin{array}{c}u\\v\end{array}}\right]+f=0}
(3.11 )
Está por resolver el producto
[
d
e
]
P
[
u
v
]
{\displaystyle \left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]P\left[{\begin{array}{c}u\\v\end{array}}\right]}
que contiene las coordenadas del centro de la cónica; se anulan cuando los coeficientes d y e son cero. Obsérvese que esta ecuación carece del término uv, indicando que la cónica correspondiente está en su forma normal.
Caso
b
>
0
{\displaystyle b>0}
(rotación negativa)
editar
[
d
e
]
P
1
[
u
v
]
=
1
‖
v
1
‖
[
d
e
]
[
v
1
v
2
]
[
u
v
]
{\displaystyle \left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]P_{1}\left[{\begin{array}{c}u\\v\end{array}}\right]={\frac {1}{\|v_{1}\|}}\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]\left[{\begin{array}{lr}v_{1}&v_{2}\end{array}}\right]\left[{\begin{array}{c}u\\v\end{array}}\right]}
,
obteniendo
[
d
e
]
P
1
[
u
v
]
=
1
‖
v
1
‖
{
(
[
d
e
]
v
1
)
u
+
(
[
d
e
]
v
2
)
v
}
{\displaystyle \left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]P_{1}\left[{\begin{array}{c}u\\v\end{array}}\right]={\frac {1}{\|v_{1}\|}}\left\{\left(\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{1}\right)u+\left(\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{2}\right)v\right\}}
(3.12 )
y al reemplazarlo en la ecuación (3.11 )
λ
1
u
2
+
[
d
e
]
v
1
‖
v
1
‖
u
+
λ
2
v
2
+
[
d
e
]
v
2
‖
v
1
‖
v
+
f
=
0
{\displaystyle \lambda _{1}u^{2}+{\frac {\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{1}}{\|v_{1}\|}}u+\lambda _{2}v^{2}+{\frac {\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{2}}{\|v_{1}\|}}v+f=0}
(3.13 )
Se procede a completar cuadrados:
CASO 1
d
e
t
M
≠
0
{\displaystyle detM\neq 0}
.
Siendo cada valor propio distindo de 0, la expresión (3.13 )
queda
λ
1
(
u
+
[
d
e
]
v
1
2
λ
2
‖
v
1
‖
)
2
+
λ
2
(
v
+
[
d
e
]
v
1
2
λ
2
‖
v
2
‖
)
2
=
T
1
−
f
{\displaystyle \lambda _{1}\left(u+{\frac {\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{1}}{2\lambda _{2}\|v_{1}\|}}\right)^{2}+\lambda _{2}\left(v+{\frac {\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{1}}{2\lambda _{2}\|v_{2}\|}}\right)^{2}=T_{1}-f}
(3.14a )
donde
T
1
=
1
4
‖
v
1
‖
2
[
(
[
d
e
]
v
1
)
2
λ
1
+
(
[
d
e
]
)
2
λ
2
]
{\displaystyle T_{1}={\frac {1}{4\|v_{1}\|^{2}}}\left[{\frac {\left(\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{1}\right)^{2}}{\lambda _{1}}}+{\frac {\left(\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]\right)^{2}}{\lambda 2}}\right]}
.
(3.14b )
Entonces, la ecuación (3.14a )
representa:
{
Una elipse,
s
i
λ
1
>
0
y
T
1
>
f
,
Una hipérbola,
s
i
λ
1
<
0
y
T
1
≠
f
,
Dos rectas coincidentes,
s
i
λ
1
<
0
y
T
1
=
f
,
Un punto,
s
i
λ
1
>
0
y
T
1
=
f
,
Ningún punto,
s
i
λ
1
>
0
y
T
1
<
f
.
{\displaystyle {\begin{cases}{\text{Una elipse,}}&si\;\;\lambda _{1}>0\;\;y\;\;T_{1}>f,\\{\text{Una hipérbola,}}&si\;\;\lambda _{1}<0\;\;y\;\;T_{1}\neq f,\\{\text{Dos rectas coincidentes,}}&si\;\;\lambda _{1}<0\;\;y\;\;T_{1}=f,\\{\text{Un punto,}}&si\;\;\lambda _{1}>0\;\;y\;\;T_{1}=f,\\{\text{Ningún punto,}}&si\;\;\lambda _{1}>0\;\;y\;\;T_{1}<f.\end{cases}}}
En los dos primeros casos, los centros están en
(
h
,
k
)
=
(
−
[
d
e
]
v
1
2
λ
1
‖
v
1
‖
,
−
[
d
e
]
v
1
2
λ
2
‖
v
1
‖
)
{\displaystyle (h,k)=\left({\frac {-\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{1}}{2\lambda _{1}\|v_{1}\|}},{\frac {-\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{1}}{2\lambda _{2}\|v_{1}\|}}\right)}
.
(3.14c )
Las rectas coincidentes tienen ecuaciones
v
+
[
d
e
]
v
2
2
λ
2
‖
v
1
‖
=
±
−
λ
1
λ
2
(
u
+
[
d
e
]
v
1
2
λ
1
‖
v
1
‖
)
{\displaystyle v+{\frac {\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{2}}{2\lambda _{2}\|v_{1}\|}}=\pm {\sqrt {\frac {-\lambda _{1}}{\lambda _{2}}}}\left(u+{\frac {\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{1}}{2\lambda _{1}\|v_{1}\|}}\right)}
(3.15 )
CASO 2
d
e
t
M
=
0
{\displaystyle detM=0}
.
Por la NOTA 4, se presenta como única opción:
λ
1
=
0
(
λ
2
>
0
)
{\displaystyle \lambda _{1}=0\;\;(\lambda _{2}>0)}
. Así, de la ecuación (3.13 )
queda
[
d
e
]
v
1
‖
v
1
‖
u
+
λ
2
(
v
+
[
d
e
]
v
2
2
λ
2
‖
v
1
‖
)
2
=
T
2
−
f
{\displaystyle {\frac {\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{1}}{\|v_{1}\|}}u+\lambda _{2}\left(v+{\frac {\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{2}}{2\lambda _{2}\|v_{1}\|}}\right)^{2}=T_{2}-f}
(3.16a )
con
T
2
=
(
[
d
e
]
v
2
)
2
4
λ
2
‖
v
1
‖
2
{\displaystyle T_{2}={\frac {\left(\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{2}\right)^{2}}{4\lambda _{2}\|v_{1}\|^{2}}}}
,
(3.16b )
que representa
Una parábola, si
[
d
e
]
v
1
≠
0
{\displaystyle \left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{1}\neq 0}
,
con eje de simetría paralelo al eje y y vértice en el punto
(
‖
v
1
‖
[
d
e
]
v
1
(
T
2
−
f
)
,
−
[
d
e
]
v
2
2
λ
2
‖
v
1
‖
)
{\displaystyle \left({\frac {\|v_{1}\|}{\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{1}}}(T_{2}-f),{\frac {-\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{2}}{2\lambda _{2}\|v_{1}\|}}\right)}
,
(3.16c )
Puede tenerse también
Dos rectas paralelas, si
[
d
e
]
v
1
=
0
y
T
2
−
f
>
0
{\displaystyle \left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{1}=0\;\;y\;\;T_{2}-f>0}
,
con ecuaciones
v
=
−
[
d
e
]
v
2
2
λ
2
‖
v
1
‖
±
1
λ
2
(
T
2
−
f
)
{\displaystyle v={\frac {-\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{2}}{2\lambda _{2}\|v_{1}\|}}\pm {\sqrt {{\frac {1}{\lambda _{2}}}(T_{2}-f)}}}
.
(3.16d )
La ecuación (3.16a )
puede representar
Una recta, si
[
d
e
]
v
1
=
0
y
T
2
−
f
=
0
{\displaystyle \left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{1}=0\;\;y\;\;T_{2}-f=0}
,
Por último, puede representar
Ningún punto, si
[
d
e
]
v
1
=
0
y
T
2
−
f
<
0
{\displaystyle \left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{1}=0\;\;y\;\;T_{2}-f<0}
.
Caso b<0 (rotación positiva)
editar
Ya que la matriz a considerar
P
2
{\displaystyle P_{2}}
difiere de la anterior
P
1
{\displaystyle P_{1}}
en el signo, los desarrollos y resultados presentados en la sección anterior son similares. De esta manera
[
d
e
]
P
2
[
u
v
]
=
−
1
‖
v
1
‖
{
(
[
d
e
]
v
1
)
u
+
(
[
d
e
]
v
2
)
v
}
{\displaystyle \left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]P_{2}\left[{\begin{array}{c}u\\v\end{array}}\right]={\frac {-1}{\|v_{1}\|}}\left\{\left(\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{1}\right)u+\left(\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{2}\right)v\right\}}
(3.17 )
al reemplazarlo en (3.11 )
produce una ecuación ligeramente dintinta de (3.12 )
λ
1
u
2
−
[
d
e
]
v
1
‖
v
1
‖
u
+
λ
2
v
2
−
[
d
e
]
v
2
‖
v
1
‖
v
+
f
=
0
{\displaystyle \lambda _{1}u^{2}-{\frac {\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{1}}{\|v_{1}\|}}u+\lambda _{2}v^{2}-{\frac {\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{2}}{\|v_{1}\|}}v+f=0}
(3.18 )
lo cual indica que se obtienen los resultados de la sección 3.2.3, con una diferencia:
las coordenadas del centro en el caso de la elipse y de la hipérbola, así como en el vértice para el caso de la parábola son los opuestos aditivos.
CASO 1
d
e
t
M
≠
0
{\displaystyle detM\neq 0}
.
Siendo cada valor propio distinto de 0, la expresión (3.18 )
queda
λ
1
(
u
−
[
d
e
]
v
1
2
λ
1
‖
v
1
‖
)
2
+
λ
2
(
v
−
[
d
e
]
v
2
2
λ
2
‖
v
1
‖
)
2
=
T
1
−
f
{\displaystyle \lambda _{1}\left(u-{\frac {\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{1}}{2\lambda _{1}\|v_{1}\|}}\right)^{2}+\lambda _{2}\left(v-{\frac {\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{2}}{2\lambda _{2}\|v_{1}\|}}\right)^{2}=T_{1}-f}
(3.19a )
donde
T
1
=
1
4
‖
v
1
‖
2
[
(
[
d
e
]
v
1
)
2
λ
1
+
(
[
d
e
]
v
2
)
2
λ
2
]
{\displaystyle T_{1}={\frac {1}{4\|v_{1}\|^{2}}}\left[{\frac {\left(\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{1}\right)^{2}}{\lambda _{1}}}+{\frac {\left(\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{2}\right)^{2}}{\lambda _{2}}}\right]}
,
(3.19b )
tal como el de (3.14b )
De esta manera, la ecuación (3.19a )
representa:
{
Una elipse,
s
i
λ
1
>
0
y
T
1
>
f
,
Una hipérbola,
s
i
λ
1
<
0
y
T
1
≠
f
,
Dos rectas coincidentes,
s
i
λ
1
<
0
y
T
1
=
f
,
Un punto,
s
i
λ
1
>
0
y
T
1
=
f
,
Ningún punto,
s
i
λ
1
>
0
y
T
1
<
f
.
{\displaystyle {\begin{cases}{\text{Una elipse,}}&si\;\;\lambda _{1}>0\;\;y\;\;T_{1}>f,\\{\text{Una hipérbola,}}&si\;\;\lambda _{1}<0\;\;y\;\;T_{1}\neq f,\\{\text{Dos rectas coincidentes,}}&si\;\;\lambda _{1}<0\;\;y\;\;T_{1}=f,\\{\text{Un punto,}}&si\;\;\lambda _{1}>0\;\;y\;\;T_{1}=f,\\{\text{Ningún punto,}}&si\;\;\lambda _{1}>0\;\;y\;\;T_{1}<f.\end{cases}}}
En los dos primeros casos sus centros están en
(
h
,
k
)
=
(
[
d
e
]
v
1
2
λ
1
‖
v
1
‖
,
[
d
e
]
v
1
2
λ
2
‖
v
1
‖
)
{\displaystyle (h,k)=\left({\frac {\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{1}}{2\lambda _{1}\|v_{1}\|}},{\frac {\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{1}}{2\lambda _{2}\|v_{1}\|}}\right)}
.
(3.19c )
Las rectas coincidentes tienen ecuaciones
v
−
[
d
e
]
v
2
2
λ
2
‖
v
1
‖
=
±
−
λ
1
λ
2
(
u
−
[
d
e
]
v
1
2
λ
1
‖
v
1
‖
)
{\displaystyle v-{\frac {\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{2}}{2\lambda _{2}\|v_{1}\|}}=\pm {\sqrt {\frac {-\lambda _{1}}{\lambda _{2}}}}\left(u-{\frac {\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{1}}{2\lambda _{1}\|v_{1}\|}}\right)}
(3.20 )
El caso del punto, sus coordenadas están dadas por (h,k).
CASO 2
d
e
t
M
=
0
{\displaystyle detM=0}
.
Nuevamente, como en el baso b>0, por la Nota 4, se tiene la única opción:
λ
1
=
0
(
λ
2
>
0
)
{\displaystyle \lambda _{1}=0\;(\lambda _{2}>0)}
. De la ecuación (3.18 )
queda
−
[
d
e
]
v
1
‖
v
1
‖
u
+
λ
2
(
v
−
[
d
e
]
v
2
2
λ
2
‖
v
1
‖
)
2
=
T
2
−
f
{\displaystyle {\frac {-\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{1}}{\|v_{1}\|}}u+\lambda _{2}\left(v-{\frac {\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{2}}{2\lambda _{2}\|v_{1}\|}}\right)^{2}=T_{2}-f}
(3.21a )
con
T
2
{\displaystyle T_{2}}
dado por (3.16b )
, la cual representa
Una parábola, si
[
d
e
]
v
1
≠
0
{\displaystyle \left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{1}\neq 0}
,
con eje de simetría paralelo al eje u y vértice en el punto
(
−
‖
v
1
‖
[
d
e
]
v
1
(
T
2
−
f
)
,
[
d
e
]
v
2
2
λ
2
‖
v
1
‖
)
{\displaystyle \left({\frac {-\|v_{1}\|}{\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{1}}}(T_{2}-f),{\frac {\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{2}}{2\lambda _{2}\|v_{1}\|}}\right)}
,
(3.21b )
Puede tenerse también
Dos rectas paralelas, si
[
d
e
]
v
1
=
0
y
T
2
−
f
>
0
{\displaystyle \left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{1}=0\;\;y\;\;T_{2}-f>0}
,
con ecuaciones
v
=
[
d
e
]
v
2
2
λ
2
‖
v
1
‖
±
1
λ
2
(
T
2
−
f
)
{\displaystyle v={\frac {\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{2}}{2\lambda _{2}\|v_{1}\|}}\pm {\sqrt {{\frac {1}{\lambda _{2}}}(T_{2}-f)}}}
.
(3.21c )
y tal como (3.21a )
puede representar
Una recta, si
[
d
e
]
v
1
=
0
y
T
2
−
f
=
0
{\displaystyle \left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{1}=0\;\;y\;\;T_{2}-f=0}
,
con ecuación
v
=
[
d
e
]
v
2
2
λ
2
‖
v
1
‖
±
1
λ
2
(
T
2
−
f
)
{\displaystyle v={\frac {\left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{2}}{2\lambda _{2}\|v_{1}\|}}\pm {\sqrt {{\frac {1}{\lambda _{2}}}(T_{2}-f)}}}
(3.21d )
paralela al eje u. Por último, puede suceder que (3.21a )
represente
Ningún punto, si
[
d
e
]
v
1
=
0
y
T
2
−
f
<
0
{\displaystyle \left[{\begin{array}{lr}d&e\end{array}}\right]v_{1}=0\;\;y\;\;T_{2}-f<0}
.